4. lecke. Jármű főegységek jeladói I.

iDevice ikon A lecke célja
A jármű főegységek jeladóinak, és azok működési módjának megismerése.

iDevice ikon Követelmények
  • felsorolásból ki tudja választani a termisztor jellemzőit,
  • párosítani tudja egymáshoz a leckében szereplő eszközök nevét és működési elvüket,
  • adott szenzorról el tudja dönteni, hogy az milyen célra használható,
  • adott érzékelési feladathoz hozzá tudja rendelni a megfelelő szenzort.

iDevice ikon Időszükséglet
A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.

iDevice ikon Kulcsfogalmak
  • hőfok jeladó,
  • termisztor (NTC-ellenállás),
  • terjedési ellenállás-hőmérő,
  • ellenállás hőmérő,
  • hőelem,
  • hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó,
  • Hall-érzékelő,
  • fotoelektromos jeladó,
  • fordulatszám-jeladó,
  • gázpedál helyadó,
  • fojtószelep-állás érzékelő.

iDevice ikon 4.1 Hőfok jeladók (hőmérséklet-szenzorok)
Hőmérséklet megváltozásának mérésére olyan eszközöket használnak, melyek valamelyik fizikai jellemzője változik a hőmérséklettel.

Tevékenység: indokolja meg, hogy az alábbi felsorolt helyeken miért kell mérni a hőmérsékletet a gépjárműben!

Gépjárművekben alkalmazása a következő helyeken lehet:

  • motor
  • hűtőfolyadék
  • beszívott levegő
  • motorolaj
  • tüzelőanyag
  • kipufogógáz
  • fékpofák
  • utastér
  • hengerek
  • stb.
A szükséges mérési tartomány, az elvárt pontosság, az ár határozza meg, hogy melyik helyen melyiket alkalmazzák.

Termisztor (NTC-ellenállás)

Tevékenység:
  • Jegyezze meg, hogy a termisztort mely tulajdonsága teszi alkalmassá hőmérséklet mérésére!
  • Az 1. ábra alapján jegyezze meg, milyen jellegű a termisztor karakterisztikája!
  • Fogalmazza meg, mi a termisztor alkalmazásának hátránya!

Fémoxidok keverékéből készül. Jellemzője, hogy hőmérséklet emelkedésével ellenállása csökken (1. ábra). NTC – (Negative Temperature Coefficient). A termisztoros érzékelők hőmérséklet – ellenállás karakterisztikája nemlineáris. Felhasználható például a beszívott levegő hőmérsékletének mérésére. Az NTC egy feszültségosztó soros ellenálláslánc része (2. ábra). Ez azt jelenti, hogy hőmérséklet növekedésével csökken az R2 ellenállás és az U2 feszültség. A hőmérséklet mérését így feszültségmérésre lehet visszavezetni. A 3. ábrán termisztorokat láthatunk különböző tokozásban.
Előállítása viszonylag olcsó. A termisztorok alkalmazásának hátránya viszont, hogy a rajta átfolyó áram is melegíti, aminek következtében nemlinearitása növekszik.




1. ábra. Az NTC hőmérséklet – ellenállás karakterisztikája.



2. ábra. Ellenállás – feszültség átalakítás




3. ábra. Termisztorok különböző tokozásban

Forrás: http://www.ussensor.com/pgthermistors.html



Terjedési ellenállás-hőmérő

Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működik a terjedési ellenállás-hőmérő!

Gyengén adagolt n-típusú szilícium kristályból épül fel. A hőfokfüggés itt (hasonlóan a fémekhez) a töltéshordozók mozgékonyságának megváltozása miatt van.

Ez azt jelenti, hogy növekedő hőmérséklet esetén könnyebben mozognak a töltéshordozók, így az ellenállás csökken.

Megjegyzés: A félvezető anyagok fontos paramétere a fajlagos ellenállás, amely kapcsolatban van a félvezetőben lévő szabad töltéshordozó mozgékonyságával. A mozgékonyság függ az anyagi minőségtől, de befolyásoló tényező a gyártás során bevitt adalék koncentráció, illetve kristályhibák száma is.


A szilícium-termisztorok működésének ez az alapja. Ennek a hőmérséklet-érzékelő típusnak előnye, hogy az érzékelő (szenzor) és a feldolgozó egység egyetlen szilícium-lapkán helyezhető el, illetve linearitása lényegesen jobb, mint a termisztornak. Így az A/D átalakítás és a kommunikációs interfész kialakítása alacsony költségű. Manapság a szenzor mellett egy mikroprocesszort helyeznek el, amely az A/D átalakítást és a kommunikációt biztosítja. Ezt a kialakítást nevezik „smart sensor” koncepciónak. Ezeket az érzékelőket 200 – 400 K hőmérséklettartományra gyártják.


Ellenállás-hőmérők

Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működik az ellenállás-hőmérő!

Ezek a hőmérsékletmérők általában kerámiára tekercselt huzalok, melynek oxidáció elleni védelméről gondoskodnak. A tekercselt kivitelen kívül a félvezető technológiában alkalmazott vastag és vékonyréteg technológiával is készülnek ellenállás-hőmérők.

Az ellenállás-hőmérőkben alkalmazott anyagok ellenállása az alábbi módon függ a hőmérséklettől:

ahol a referencia hőmérséklet,

α: a lineáris hőmérsékleti együttható,
β: a négyzetes hőmérsékleti együttható.

Ennek az eljárásnak hátránya a hordozó lap hőtágulásából származó geometriai változás.
Néhány tipikus tekercselt huzalos ellenállás-hőmérők alapanyagai és ajánlott hőmérséklet tartományai:
  • réz (-50 – 150 °C)
  • nikkel (-60 – 180 °C)
  • platina (-220 – 850 °C)
A tipikus alkalmazási területek gépjárművekben:



1. táblázat

Azt, hogy az egyes helyeken milyen szenzort alkalmazzák, függ a szükséges mérési tartománytól, az elvárt pontosságtól, valamint a szenzor árától. Az említett szenzorok közül a legdrágábbak az igényes kivitelű ellenállás-hőmérők. A terjedési ellenállás-hőmérők ára erősen változó. A legolcsóbbak a termisztorok és az egyszerűbb ellenállás-hőmérők, ezért előszeretettel használják őket minden olyan helyen, ahol néhány oC mérési hiba nem kritikus.

Hőelemek (termoelemek)


Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működnek a hőelemek!

A hőelemek két különböző fémhuzalból készülnek. A két fém egyik végét összehegesztik. Ezt a pontot felmelegítve a huzalpár másik végei között, amennyiben ezeknek a hőmérséklete különbözik az összehegesztett pont hőmérsékletétől, villamos feszültség keletkezik. Ezt a feszültséget termofeszültségnek nevezzük.

ahol c arányossági állandó.

Méréskor az összehegesztett rész érintkezik a mérendő hőmérsékleti hellyel. A T2 pedig a viszonyítási hőmérsékleti hely.
Vázlatos rajza a 4. ábrán látható.



4. ábra. Hőelemes hőmérsékletkülönbség mérés


Hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó (bimetálos hőérzékelő)

Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működik a hőfokjeladó, és milyen feladatra alkalmas!

Másik elnevezése ikerfémes hőérzékelő. Két eltérő hőtágulású fémszalag összehegesztésével készül. Az eltérő hőtágulás az összehegesztett két fémszalag elhajlását eredményezi. Az elhajlás mikrokapcsoló működtetésével szolgáltat villamos jelet, vagy bontja az áramot, tehát kapcsolási jellegű feladatot lát el. Vázlatos rajza a 7.3.14 ábrán látható.




5. ábra. Ikerfémes (bimetálos) hőérzékelő.

iDevice ikon 4.2 Hall-érzékelő
Gépjárművekben alkalmazása számos helyen lehet, például:
  • motor főtengely,
  • gyújtáselosztó,
  • pedálok,
  • kardántengely,
  • stb.
Fizikailag mérhetünk vele:
  • fordulatszámot,
  • elmozdulást,
  • gyorsulást,
  • stb.

Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működik a Hall-érzékelő!

A Hall-effektus azon a fizikai elven alapul, hogy ha egy mágneses térbe helyezett félvezetőlapon áram folyik, akkor az áram irányával párhuzamos felületek között feszültség mérhető. Ezt nevezzük Hall-feszültségnek (UH). A vázlatos elvendezés a 6. ábrán látható.



6. ábra. Hall-érzékelő (Hall-generátor).

A Hall-feszültség:

ahol:
UH : a Hall-feszültség [V],
I: az áram [A],
B: a mágneses indukció [Vs/m2].
k: konstans (Hall állandó)
Ha kezdjük elzárni a mágneses tér útját (B azaz a mágneses indukció csökken), akkor egyre kisebb feszültség keletkezik.
Anyaga lehet például gallium-arzenid (GaAs), szilícium (Si), indium-antimonid (InSb).
A Hall-érzékelő többek között alkalmas elmozdulás, szöghelyzet és fordulatszám mérésére is.

Méréstechnikai alkalmazásokban elmozdulások, szögelfordulások és ezekre visszavezethető mechanikai mennyiségek mérésére is alkalmas. Például erő, nyomaték, nyomás.
A járművekben alkalmazása széles skálájú.

Példaként megemlíthető, hogy a fékbetét-kopás ellenőrzése szintén Hall-szenzorral történhet. Ekkor a gépkocsinak álló helyzetben kell lennie. Ellenőrzéskor a vezérlőegység a fékbetétet a kiindulási helyzetből a féktárcsa felé mozgatja, vele együtt változik az érzékelőt ért mágneses tér is. A fékbetét vastagsága befolyásolja a Hall-szondát ért mágneses tér nagyságát. Tehát a mágneses térnek a nagysága változik. Ebből számítja ki a vezérlőegység a fékpofák valóságos vastagságát.

A fordulatszám mérésével több fizikai mennyiség is mérhető a Hall-szonda közbeiktatásával. A mágneseket, melyek a fluxust biztosítják a Hall-szenzor működéséhez, vagy a forgórészre vagy az állórészre szerelik. Hall-szondás megoldásnál előszeretettel alkalmazzák a fixen felszerelt mágneses sorompóból álló forgó blendés megoldást. Amikor a forgás következtében a blende a sorompón áthalad, akkor megváltozik a Hall-szondát érő mágneses tér. A mérés során azt érzékeljük, hogy adott idő alatt hányszor változott az UH. Egy ilyen elrendezést láthatunk a 7. ábrán.




7. ábra. Hall-szondás fordulatszám mérés

Alkalmazási lehetőségek például:
  • konkrét fordulatszám mérése,
  • sebesség-mérése,
  • ventillátor mozgás érzékelése,
  • dugattyúhelyzet meghatározása,
  • lineáris vagy forgó pozícionálás,
  • fékblokkolás érzékelése,
  • üzemanyag szintmérés,
  • stb.
A gépjárművekben alkalmazott Hall-érzékelők (Hall-jeladók) nem önmagukban használatosak, hanem Hall IC-ben vannak elhelyezve áramkörökkel kiegészítve. Ilyen kiegészítő lehet például erősítő, jelformáló, a kimeneten kapcsolótranzisztor. Gyújtás jeladóként az ideális jelalak négyszögjel, ezért használnak a kimeneten kapcsolótranzisztort.

iDevice ikon 4.3 Motorfordulatszám és szöghelyzet jeladók a főtengelyhez és vezérműtengelyhez
A fordulatszám és a szöghelyzet érzékelése gépjármű típusonként változik. Lehetséges kivitelezésük történhet a korábban ismertetett Hall-jeladóval , indukciós jeladóval (8. ábra) és fotoelektromos jeladóval. A forgattyús-tengely szenzorok a fordulatszámot és a forgattyús-tengely szöghelyzetét határozzák meg.

Tevékenység: jegyezze meg az indukciós jeladó működési elvét!

Az indukciós jeladó esetén a fogazott, ferromágneses anyagból készült impulzuskerék mozgása a záródó mágneses kör mágneses ellenállásának változását idézi elő, így a tekercsben változik a feszültség nagysága.
Ha nagyobb a fordulatszám, nagyobb a keletkezett feszültség.

A fogaskerék koszorúnál az üres helyek és a fogak váltakozása megváltoztatja a tekercsben az indukált feszültség jelalakját. Ebből érzékeli a vezérlőrendszer például a főtengely szöghelyzetét.



8. ábra. Indukciós jeladó

A vezérműtengely a szelepek nyitását és zárását végzi. A jeladójának (fázisszenzor) feladata, hogy a motorfordulatszám-érzékelő adatait figyelembe véve részt vegyen az első henger helyzetének meghatározásában. Általában Hall-szenzorral működik. Az általa szolgáltatott jelet a gyújtás és befecskendezés időzítéséhez használják fel. Az impulzuskerék fordulatszámának változásával a jeladó kimenetén keletkező jel frekvenciája változik. A jel az ECM egységbe kerül jelfeldolgozásra. A 9. ábrán láthatunk egy vezérműtengely jeladót.



9. ábra. Vezérműtengely jeladó

Forrás: http://www.hella.com/hella-hu-hu/assets/media/EE08_05_B_Productoverview_HU.pdf

Tevékenység: jegyezze meg a fotoelektromos jeladó működési elvét!

A fotoelektromos jeladó szintén alkalmas fordulatszám- és szöghelyzet adóként. A megoldás 2 LED fényforrást és fényérzékelésre 2 fotodiódát tartalmaz. Egy forgó tárcsa lapjának külső részén fokonként keskeny réseket vágnak. Az egyik LED – fotodióda pár a rések által érzékeli a fordulatszámot.

A tárcsán egy bentebb lévő körkerületen (például 4 hengeres motornál) 4 kivágást készítenek. A másik LED – fotodióda pár az egyes hengerek gyújtási időpontjainak vezérléséhez szöghelyzet-információt tud adni. A 4 résből az egyik szélesebb, és ez van hozzárendelve az 1. henger gyújtási időpontjához (10. ábra).




10. ábra. Forgó vezérlőtárcsa kialakítása

iDevice ikon 4.4 Kerékfordulatszám jeladó
Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működő szenzorok alkalmasak a kerékfordulatszám érzékelésére!

A kerék kerületi sebességének mérésére szolgál. Lehetséges Hall-jeladóval működő vagy indukciós elv alapján működő. A hajtótengelyekre szerelt szenzor a mágneses tér változását indikálja a fordulatszám miatt, így a kimenő jele változik. A kimenő jel a vezérlőegységbe kerül, amely ABS rendszer esetében kiszámolja a kerekek kerületi sebességét. Így a kerekek nem blokkolnak, a fékhatás optimális lesz. Egy ilyen jeladó látható a 11. ábrán.



iDevice ikon 4.5 Gázpedál helyadó
Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működő szenzorok alkalmasak a gázpedál helyzetének érzékelésére!

Több változata létezik.

Az érintkezés nélküli gázpedál szenzorok kivitelezhetők Hall-jeladó segítségével is. A gázpedálon elhelyeznek egy mágnest, amely a gázpedál helyzetétől függően változtatja a pozícióját, és ennek megfelelően a kimenetén az elmozdulással arányos villamos feszültség keletkezik. Ez a jel kerül továbbításra a vezérlőegységnek. A Hall-jeladó működését már korábban részletesen tárgyaltuk.

Lehetséges indukció elvén működő gázpedálhelyzet érzékelő is. A jeladó egy gerjesztő tekercset és egy vevőtekercset tartalmaz. A gázpedál helyzetétől függően változik az adó és vevő tekercsek közötti csatolás mértéke, így a vevő tekercsben is változik az indukált feszültség. Az ECM kiértékeli a jeleket, és adja ki a jelet például a fojtószelep-állítóhoz.

Ellenállásos feszültségosztó (12. ábra), mely a gázpedál helyzetének megfelelő feszültséget állít elő, mely az ECM bemenetére kerül. Így az ECM információval rendelkezik a gázpedál állásáról.  Kimeneti jele általában 0,5 V és 4,5 V között változik. Ezt az értéket digitalizálja az ECM bemenete. 
A gázpedálhelyzet érzékelő rendszer (APP, Accelerator Position Sensor), valamint az ECM figyelembe veszi a gázpedál mozgásának sebességét is a gyorsítás és a lassítás mértékének befolyásolására az üzemanyag betáplálás mennyiségének szabályozásán keresztül. A gázpedál-helyzet rendszer (APP) az üzemanyag befecskendezés mértékének kiszámítását és szabályozását szolgálja az érzékelő egység jelét felhasználva.



12. ábra.  Gázpedál helyérzékelő elvi vázlata.


iDevice ikon 4.6 Fojtószelep-állás érzékelő (TP-szenzor, Throttle Position Sensor)
Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működő szenzorok alkalmasak a fojtószelep állásának érzékelésére!

Amikor az autónak „gázt adunk”, akkor a fojtószelepeket nyitjuk. Ha nagyobb gázt adunk, akkor több levegőt engedünk a motornak beszívni. Több levegőhöz több üzemanyag szükséges. A motorvezérlőnek (ECM) kell egy olyan bemeneti információ, hogy mennyire van nyitva a fojtószelep.

Tehát szükséges egy olyan érzékelő, amely a fojtószelep tengelyének elfordulásával arányos jelet ad.  Ez az érzékelő (TP-szenzor, 13. ábra ) egy olyan forgó potenciométer, amelynek tengelye össze van kötve a fojtószelep tengelyével. Ez a forgó potenciométer a gázpedál helyérzékelőjéhez hasonlóan feszültségosztás arányát változtatja. Kimeneti jele a fojtószelep állásának megfelelő feszültség, és ez kerül a motorvezérlő számítógép bemenetére. Az érzékelés megoldható Hall-szögelfordulás szenzorral is.



13. ábra. Fojtószelep-állás érzékelő

Forrás: http://www.hella.com/hella-hu-hu/assets/media/EE08_05_B_Productoverview_HU.pdf


Önellenőrző kérdések
1. Jelölje meg az alábbiak közül a termisztorra jellemző igaz állításokat!
A hőmérséklet csökkenésével ellenállása csökken.
Karakterisztikája nemlineáris.
A rajta átfolyó áram melegítő hatása csökkenti a nemlinearitást.
A mérőműszerben az NTC-ellenállás egy feszültségosztó ellenállás része.



2. Jelölje meg, hogy melyik eszköz működési elve a következő:

Két, egyik végükön összehegesztett fémből áll. Ha a szabad végek hőmérséklete különbözök az összehegesztett vég hőmérsékletétől, akkor szabad végpontok között feszültség keletkezik.

NTC-ellenállás.
Terjedési ellenállás hőmérő.
Ellenállás hőmérő.
Hőelem.
Hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó.



3. Jelölje meg, hogy melyik eszköz működési elve a következő:

Két eltérő hőtágulású fémszalag összehegesztésével készül, amelyek a hőmérsékletváltozás hatására elhajlanak, és így egy mikrokapcsolót működtetnek.

NTC-elleállás.
Terjedési ellenállás hőmérő.
Ellenállás hőmérő.
Hőelem.
Hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó.



4. Jelölje meg, melyik eszköz működési elvére igaz, hogy az
összefüggés szerint változó ellenállás alapján mér hőmérsékletet?

NTC-elleállás.
Terjedési ellenállás hőmérő.
Ellenállás hőmérő.
Hőelem.
Hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó.



5. Jelölje meg, hogy az alábbi állítások közül melyik kapcsolható a Hall-érzékelő működéséhez!
A Hall-elemen átfolyó áramerősség változásakor változik a Hall-feszültség.
A mágneses tér indukciójának változásakor változik a Hall-feszültség.
A Hall-érzékelőn átfolyó áramerősség változásakor változik a mágneses tér indukciója.
A Hall-érzékelőre kapcsolt feszültség változásakor változik a mágneses tér indukciója.



6. Jelölje meg, hogy az alábbi állítások közül melyik kapcsolható az indukciós jeladó működéséhez!
Egy tárcsára fokonként keskeny réseket vágnak, amelyek egy elektromágnes előtt elhaladva változtatják annak mágneses terét.
A fogazott, ferromágneses anyagú impulzuskerék forgásának hatására tekercsben változik a feszültség nagysága.
Egy tárcsára a motor hengerszámának megfelelő számú rést vágnak. A rések egy vasmag előtt haladnak el, ennek hatására egy tekercsben áram indukálódik.



7. Jelölje meg, milyen elven működő szenzorok alkalmasak a gázpedál helyzetének érzékelésére!
Termisztor.
Hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó.
Fotoelektromos jeladó.
Hall-jeladó.
Indukciós elven működő jeladó.



8. Milyen célra alkalmazzák az alábbiak közül a forgó potenciométert?
Kerékfordulatszám-jeladó.
Motorfordulatszám-érzékelő.
Fojtószelep-állás érzékelő.
Sebesség mérése.